co vyvolalo kambrickou explozi?

řada tmavých, skalnatých vrcholů se tyčí 80 metrů nad travnatými pláněmi Namibie. Vrcholy volají na mysl něco starověkého-pohřební mohyly minulých civilizací nebo špičky obrovských pyramid pohřbených věky.,

kamenné útvary jsou skutečně památkami vybledlé říše, ale ne z něčeho vytesaného lidskými rukama. Jsou to útesy pinnacle, postavené sinicemi na mělkém mořském dně před 543 miliony let, v době známé jako období Ediacaran. Starověký svět obsazený těmito útesy byl opravdu cizí. Oceány držely tak málo kyslíku, že moderní ryby by tam rychle založily a zemřely. Gooey mat mikrobů pokryl mořské dno v té době, a na té dece žil celou řadu záhadných zvířat, jejichž těla připomínala tenké, prošívané polštáře., Většina z nich byla stacionární, ale několik slepě meandrovalo nad slizem a paslo se na mikroby. Život zvířat v tomto bodě byl jednoduchý a nebyli žádní dravci. Ale evoluční bouře by brzy tento klidný svět překonala.

Během několika milionů let, tento jednoduchý ekosystém by zmizet, a dát tak do světa, kde vládne velmi mobilní zvířata, které sported moderní anatomické rysy. Kambrické exploze, jak to je voláno, produkované členovci s nohama a složené oči, červy s měkoučký žábry a swift predátory, které by mohly rozdrtit kořist v zubu obroučkami čelisti., Biologové se po desetiletí hádali o tom, co zapálilo tento evoluční výbuch. Někteří si myslí, že prudký nárůst kyslíku vyvolal změnu, zatímco jiní říkají, že to vyskočilo z vývoje některých klíčových evolučních inovací, jako je vize. Přesná příčina zůstala nepolapitelná, částečně proto, že o fyzikálním a chemickém prostředí v té době je známo tak málo.

ale v posledních několika letech objevy začaly přinášet nějaké dráždivé stopy o konci Ediacaran., Důkazy shromážděné z namibijských útesů a dalších míst naznačují, že dřívější teorie byly příliš zjednodušující – že kambrijská exploze se skutečně vynořila ze složité souhry mezi malými změnami prostředí, které vyvolaly hlavní evoluční vývoj.

někteří vědci si nyní myslí, že malé, možná dočasné zvýšení kyslíku náhle překročilo ekologický práh, což umožnilo vznik predátorů. Vzestup masožravosti by odstartoval evoluční závod ve zbrojení, který vedl k výbuchu složitých typů těla a chování, které dnes naplňují oceány., „Toto je nejvýznamnější událost v evoluci země,“ říká Guy Narbonne, paleobiolog na Queen ‚ s University v Kingstonu, Kanada. „Příchod všudypřítomné masožravosti, umožněný okysličením, bude pravděpodobně hlavním spouštěčem.“

energie ke spálení

v moderním světě je snadné zapomenout, že složitá zvířata jsou relativními nováčky na Zemi. Od doby, kdy se život poprvé objevil před více než 3 miliardami let, jednobuněčné organismy ovládaly planetu po většinu své historie., Prosperující v prostředích, které postrádaly kyslík, spoléhali se na sloučeniny, jako je oxid uhličitý, molekuly obsahující síru nebo minerály železa, které působí jako oxidační činidla k rozkladu potravin. Velká část zemské mikrobiální biosféry stále přežívá na těchto anaerobních drah.

zvířata však závisí na kyslíku-mnohem bohatší způsob, jak se živit. Proces metabolizace potravin v přítomnosti kyslíku uvolňuje mnohem více energie než většina anaerobních cest., Zvířata se spoléhají na tento silný, řízené spalování řídit takové energie-hlad inovace, jako svaly, nervový systém a nástroje obrany a carnivory — mineralizované skořápky, exoskeletons a zuby.

Vzhledem k významu kyslíku pro zvířata, vědci podezření, že náhlé zvýšení plynu v blízkosti-moderní úrovně v oceánu mohl pobídl Kambrické exploze. Tuto myšlenku otestovat, oni studovali starobylé oceánu sedimenty stanovená během Ediacaran a Cambrian období, která spolu běžel z asi 635 milionů 485 miliony let.,

V Namibii, Číně a na dalších místech po celém světě, vědci nasbírali kameny, které byly kdysi starobylé dna, a analyzovala množství železa, molybdenu a dalších kovů v nich. Kovy“ rozpustnost závisí silně na množství kyslíku, takže množství a druh těchto kovů v dávných sedimentárních hornin odrážet, kolik kyslíku bylo ve vodě tak dlouho, kdy sedimentů tvořil.,

Tyto proxy zdálo se, že naznačují, že koncentrace kyslíku v oceánech růže v několika krocích, blíží se dnes“s povrchu moře koncentrací na začátku Kambria zhruba 541 milionů eur před lety — těsně předtím, než více-moderní zvířata se náhle objevil a diverzifikované. To podpořilo myšlenku kyslíku jako klíčového spouštěče pro evoluční explozi.

ale v loňském roce tento pohled zpochybnila velká studie starověkých sedimentů mořského dna., Erik Sperling, paleontolog na Stanfordské univerzitě v Kalifornii, sestavil databázi 4,700 měření železa odebraných ze skal po celém světě, zahrnující období Ediacaran a Cambrian. On a jeho kolegové nenašli statisticky významné zvýšení podílu oxic do anoxické vody na hranici mezi Ediacaran a Kambria.

„jakákoli oxygenační událost musela být daleko, mnohem menší než to, co lidé obvykle zvažovali,“ uzavírá Sperling. Většina lidí předpokládá“, že událost okysličení v podstatě zvýšila kyslík na v podstatě moderní úrovně., A to pravděpodobně nebyl případ“ t“, říká.

nejnovější výsledky přicházejí v době, kdy vědci jsou už přehodnotit, co se děje na oceán hladiny kyslíku v tomto klíčovém období. Donald Canfield, geobiolog na univerzitě v jižním Dánsku v Odense, pochybuje, že kyslík byl omezujícím faktorem pro časná zvířata. Ve studii zveřejněné minulý month2, on a jeho kolegové naznačují, že hladiny kyslíku byly již dostatečně vysoká, aby podporovaly jednoduchá zvířata, jako jsou houby, stovky milionů let, než se skutečně objevil., Kambrijská zvířata by potřebovala více kyslíku než časné houby, připouští Canfield. „Ale nepotřebujete zvýšení kyslíku přes hranici Ediacaran / Cambrian, „říká; kyslík už mohl být dostatečně hojný“dlouho, dlouho předtím“.

„role kyslíku v počátcích zvířat byla silně diskutována,“ říká Timothy Lyons, geobiolog na Kalifornské univerzitě v Riverside. „Ve skutečnosti to nikdy nebylo více diskutováno, než je tomu nyní.,“Lyons vidí roli kyslíku v evoluční změny, ale jeho vlastní work3 s molybdenu a dalších stopových kovů naznačuje, že zvýšení kyslíku těsně před Kambria byly většinou dočasné vrcholy, které trvalo několik miliónů let a postupně vykročil směrem nahoru (viz „Když se život zrychlil“).

Moderní zrcadla

Sperling se podíval na nahlédnutí do Ediacaran oceánů tím, že studuje kyslík-vyčerpaná regionů v moderní mořích po celém světě., Naznačuje, že biologové obvykle přijali špatný přístup k přemýšlení o tom, jak kyslík formoval evoluci zvířat. Pomocí shromažďování a analyzování dříve publikovaných údajů s některými z jeho vlastní, on zjistil, že malé červy přežít v oblastech mořského dna, kde hladiny kyslíku jsou neuvěřitelně nízké — méně než 0,5% z průměrné globální hladiny moří koncentrace. Potravinové sítě v těchto prostředích chudých na kyslík jsou jednoduché a zvířata se živí přímo mikroby. V místech, kde je hladina kyslíku v mořském dně o něco vyšší-asi 0.,5-3% koncentrací na mořské hladině-zvířata jsou hojnější, ale jejich potravní sítě zůstávají omezené: zvířata se stále živí mikroby spíše než na sobě. Ale někde mezi 3% a 10% hladinou kyslíku se objevují dravci a začínají konzumovat další zvířata4.

důsledky tohoto zjištění pro evoluci jsou hluboké, říká Sperling.Skromný vzestup kyslíku, o kterém si myslí, že k němu mohlo dojít těsně předtím, než by Cambrian stačil ke spuštění velké změny., „Pokud by hladina kyslíku byla 3% a překročila hranici 10%, mělo by to obrovský vliv na časnou evoluci zvířat,“ říká. „V ekologii zvířat, životním stylu a velikosti těla je toho tolik, co se zdá, že se díky těmto úrovním tak dramaticky mění.“

postupný vznik predátorů, poháněný malým nárůstem kyslíku, by znamenal potíže pro Ediacaran zvířata, která postrádala zjevnou obranu. „Díváte se na měkké, většinou nehybné formy, které pravděpodobně žily svůj život tím, že absorbovaly živiny kůží,“ říká Narbonne.,

studie o těchto starověkých namibijských útesech naznačují, že zvířata se do konce Ediacaran skutečně začala propadat dravcům. Když palaeobiologist Rachel Wood z University of Edinburgh, UK, zkoumal skalní útvary, našla místa, kde primitivní zvíře zvané Cloudina převzal částí mikrobiální útes. Spíše než šíří přes oceán podlaze, tyto kužel ve tvaru tvorové žili v přeplněných koloniích, které schovávali své zranitelné části těla před predátory — ekologickou dynamiku, která se vyskytuje v moderních reefs5.,

Cloudina patřila k nejstarším zvířatům, o nichž je známo, že rostly tvrdé, mineralizované exoskelety. Ale nebyli sami. Dva další typy zvířat v těchto útesech měly také mineralizované části, což naznačuje, že více, nesouvisející skupiny vyvinuly kosterní skořápky přibližně ve stejnou dobu. „Kostry jsou poměrně nákladné na výrobu,“ říká Wood. „Je velmi obtížné přijít s jiným důvodem než obhajobou, proč by se zvíře mělo obtěžovat vytvořit kostru pro sebe.“Wood si myslí, že kostry poskytovaly ochranu před nově vyvinutými predátory., Některé zkameněliny z tohoto období mají dokonce díry po stranách, což vědci interpretují jako stopy útočníků, které se nesly do skořápek tvorů .6.

paleontologové našli další náznaky, že se zvířata začala jíst navzájem pozdním Ediacaranem. V Namibii, Austrálii a Newfoundlandu v Kanadě si některé sedimenty mořského dna zachovaly neobvyklý typ tunelu vytvořeného neznámým, červovitým tvorem7. Tzv. Treptichnus burrows, tyto Warrens větve znovu a znovu, jako by dravec těsně pod mikrobiální rohoží systematicky zkoumal kořistní zvířata nahoře., Treptichnus burrows se podobají těm moderním priapulidům nebo „penisu“, červům — nenasytným dravcům, kteří loví pozoruhodně podobným způsobem na moderních mořských podlahách8.

vzestup predace v této době dal velké, sedavé Ediacaran zvířata ve velké nevýhodě. „Sedět a nedělat nic se stává závazkem,“ říká Narbonne.

svět ve 3D

okamžik přechodu z Ediacaran do Kambria celém světě jsou zaznamenány v sérii kamenné výchozy obklopen starobylé ledovce na jižním okraji Newfoundland., Pod touto hranicí jsou dojmy zanechané prošívanými Ediacaranskými zvířaty, Poslední takové fosílie zaznamenané na Zemi. A jen 1,2 metrů nad nimi, šedá bahno drží stopy škrábanců, myslel, že byly vyrobeny zvířaty s exoskeletons, chůzi na kloubových nohou-nejstarší důkaz členovců v historii země.

nikdo neví, kolik času uplynulo v této zasahující skále – možná jen několik století nebo tisíciletí, říká Narbonne., Během tohoto krátkého rozpětí však měkká, stacionární ediacaranská fauna náhle zmizela, poháněná k vyhynutí dravci, navrhuje.

Narbonne pozorně studoval několik živočichů, které přežily tento přechod, a jeho zjištění naznačují, že některé z nich získal nové, složitější typy chování. Nejlepší stopy pocházejí ze stop zanechaných mírumilovnými, červovitými zvířaty, která se pasou na mikrobiální podložce., Rané stezky asi před 555 miliony let Meander a criss-cross náhodně, což naznačuje špatně vyvinutý nervový systém, který nebyl schopen vnímat nebo reagovat na jiné pasáky v okolí — natož dravce. Ale na konci Ediacaran a do začátku Kambria, stezky stala sofistikovanější: stvoření vyřezávané utažené zatáčky a orat těsně u sebe, na paralelní linie přes sedimenty. V některých případech, křivka krmení stezka náhle přechází do přímky, který Narbonne interpretuje jako potenciální důkaz grazer vyhnout predator9.,

tato změna ve stylu pastvy mohla přispět k fragmentaci mikrobiální rohože, která začala brzy v kambriu. A transformace mořského dna, říká Narbonne,“může být nejhlubší změna v historii života na Zemi“ 10, 11. Podložka předtím pokryla mořské dno jako povlak z plastového obalu, takže základní sedimenty byly do značné míry anoxické a mimo limity pro zvířata. Vzhledem k tomu, že zvířata nemohla v Ediacaranu hluboce pohřbít, říká: „rohož znamenala, že život byl dvourozměrný“., Když se zlepšily schopnosti pastvy, zvířata pronikla do rohože a poprvé vytvořila sedimenty obyvatelné, což otevřelo 3D svět.

Skladby z počátku Kambria ukazují, že zvířata začala hrabat několik centimetrů do sedimentů pod rohožkou, která poskytuje přístup k dříve nevyužitých živin — stejně jako úkryt před predátory. Je také možné, že zvířata šla v opačném směru., Sperling říká, že potřeba vyhnout se predátorům (a pronásledovat kořist) mohla vést zvířata do vodního sloupce nad mořským dnem, kde zvýšená hladina kyslíku jim umožnila vynaložit energii plaváním.

vznikající důkazy o prahech kyslíku a ekologii by také mohly osvětlit další hlavní evoluční otázku: kdy pocházejí zvířata? První nesporné fosilie zvířat se objevují teprve před 580 miliony let,ale genetické důkazy naznačují, že základní skupiny zvířat vznikly již před 700 až 800 miliony let., Podle Lyonse může být řešením, že hladina kyslíku vzrostla na možná 2% nebo 3% moderních hladin asi před 800 miliony let. Tyto koncentrace by mohly mít trvalé malé, jednoduchá zvířata, stejně jako tomu je dnes v oceánu kyslíku chudých zón. Zvířata s velkými těly se však nemohla vyvinout, dokud hladina kyslíku v Ediacaranu nevystoupila výše.

pochopení toho, jak kyslík ovlivnil vzhled složitých zvířat, bude vyžadovat, aby vědci škádlili jemnější stopy ze skal., „Vyzýváme lidi, kteří pracují na fosiliích, aby své fosílie více spojili s našimi kyslíkovými proxy,“ říká Lyons. To bude znamenat, dešifrování, co hladiny kyslíku byly v různých starověkých prostředí, a spojování těchto hodnot s druhy vlastností vystavených zvířat, zkamenělin nalezených ve stejných místech.

letos na podzim navštívil Woods Sibiř s ohledem na tento cíl. Sbírala fosílie Cloudiny a dalšího skeletonizovaného zvířete Suvorovella z ubývajících dnů Ediacaran., Tato místa jí dala šanci shromáždit fosílie z mnoha různých hloubek ve starověkém oceánu, od povrchových vod bohatých na kyslík až po hlubší zóny. Dřevo plány hledat vzory v, kde zvířata byla rostoucí tvrdší kostry, zda byly pod útokem predátorů a zda to mělo jasnou souvislost s úrovní kyslíku, říká. „Teprve pak si můžete vybrat příběh.”